curso de inspector de soldadura 05_fcaw_20120306

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SOLDADURA SEMIAUTOMATICA CON ELECTRODOS TUBULARES(FCAW)

05 - Procesos de soldadura: FCAW 2


Superado el desarrollo tecnológico del revestimiento de los electrodos para soldadura

manual, que permitió cumplir con las propiedades mecánicas y metalúrgicas requeridas en

el metal depositado, la investigación técnica se volcó al estudio de nuevos procedimientos

de soldadura más rápidos y eficientes y consecuentemente más rentables.

Para tal fin, la protección del metal depositado durante y después de su transferencia

recurrió a distintas soluciones, tendiendo siempre a sustituir de una forma u otra la

atmósfera protectora del arco, similar a la que realiza el recubrimiento en los electrodos

revestidos.

Se desarrollaron así procesos automáticos y semiautomáticos en los cuales el electrodo

se reemplazó por un alambre continuo de baja aleación protegido mediante un gas

alimentado al arco a través de una tobera.

Alambres tubulares

Constituye un nuevo avance la incorporación de los alambres tubulares a los procesos

de soldadura bajo protección gaseosa.

Estos alambres están constituidos por un fleje de espesor determinado, plegado sobre

sí mismo o cerrado de distintas formas y enteramente relleno de polvo conteniendo

desoxidantes, depurantes y elementos de aleación.


- No posee restricción en cuanto a la longitud de electrodo como se encuentra en el

proceso de soldadura manual con electrodo revestido;

- la soldadura se puede realizar en todas las posiciones;

- posee alta capacidad de deposición de metal de aporte. Alta velocidad de deposición

con alta eficiencia de deposición, mayor que GMAW;

- las velocidades de soldadura son elevadas. (e.g. ᴓ1.6mm, 200-250A ,15-30 cm/min);

- debido al uso de alambres electrodos continuos no es necesario realizar frecuentes

detenciones. Puede adaptarse fácilmente a sistemas automatizados;

- posee buena penetración, mayor que GMAW;

- puede no requerir de protección gaseosa adicional;

- menor riesgo a faltas de fusión que en GMAW;

- produce cordones con mejor terminación superficial y menos socavadura que GMAW.

Ventajas


- El equipo de soldadura es más complejo: mantenimiento del equipo y set-up;

- el equipo de soldadura es más costoso que para otros procesos;

- el equipo de soldadura es menos portátil.

- es dificultoso su uso en lugares de difícil acceso para realizar la soldadura;

- en FCAW con protección gaseosa, esta es muy susceptible a ser interrumpida por la

presencia de viento. < 8km/h (5.12.2 AWS D1.1:2008);

- posee un arco muy intenso y una muy alta radiación de calor, lo cual deriva en una

cierta resistencia por parte del operador a utilizar el proceso;

- el precio de los alambres tubulares suele ser superior que para alambre macizos;

- mayor riesgo de producir finas inclusiones de escoria en el metal de soldadura;

- genera más humos que el proceso GMAW.

Limitaciones



2171,82,4

3121,32,0FCAW

1992,01,6GMAW

1232,26,4

2218,14,8SMAW

[A/mm2][mm2][mm]

iáreaD

Diferentes electrodos con capacidad de conducir una corriente de 400A

Comparación de la densidad de corriente para diferentes procesos de soldadura

8

En este caso la protección del metal fundido resulta de la acción combinada del polvo

contenido dentro de la vaina metálica y del gas de protección externa.

Gases:

El gas más utilizado es �CO2

También posible emplear mezclas binarias o terciarias

�Ar-CO2, Ar-CO2-O2

El CO2 no puede ser considerado como un gas inerte puesto que en la atmósfera del

arco, a elevada temperatura, se disocia de la manera siguiente:

2 CO2 � 2 CO + O2

De ese modo se logra un efecto oxidante cuyo índice de oxidación se considera similar

al que corresponde a una mezcla de argón con 10% de oxígeno.

Por otra parte, la reacción entre el CO2 y el metal fundido que contiene cierto

porcentaje de carbono, será del tipo:

CO2 + C � 2 CO



Alambres tubulares auto protegidos ( OPEN ARC ) SS-FCAW

El procedimiento de soldadura bajo protección gaseosa exige la puesta a punto de un

equipo relativamente costoso y complicado, que incluye descompresor de gas,

caudalímetro, calefactor para asegurar la evaporación del gas licuado, tubos y mangueras,

dispositivos de seguridad y toberas especiales.


La naturaleza del gas es

de suma importancia y su

transporte dentro de

mangueras y

toberas debe hacerse de

tal modo que la

protección del arco y del

metal durante su

transferencia sea eficaz,

evitándose los remolinos

y turbulencias que

permitan el contacto

del aire con el metal en

fusión.


Frente a estos inconvenientes

resulta lógico el desarrollo de

alambres que generen su

autoprotección por medio de la

acción del polvo contenido en

su interior, suprimiendo de

este modo la protección

gaseosa externa.

Dicha supresión también

permite reducir en gran medida

la sensibilidad al viento y a las

corrientes de aire. “A priori” no

es evidente que la protección

interna del metal en fusión sea

menos afectada por los

desplazamientos del aire que

la protección clásica por gas

en torno del arco.


Mecanismos de autoprotección

Examinemos de qué se compone la atmósfera protectora producida por la descomposición

del polvo contenido dentro del alambre:En ensayos de desprendimiento de CO2 proveniente de la descomposición a alta temperatura de carbonatos de calcio y sodio, se observa que de esta manera se obtienen 0,5 litros de CO2 por cada 2 a 3 metros de alambre, que corresponden en forma estimada a 0,6 litros / minuto de CO2 en condiciones normales de presión y temperatura.

El carbonato de calcio se descompone a 800 / 825 °C y el carbonato de sodio a 1200° C. En esas condiciones la expansión térmica juega un papel predominante y el volumen de CO2 disponible puede estimarse en 2,5 litros / minuto, que corresponden a un 10/20 % del volumen interviniente en el proceso clásico.Para evaluar la velocidad de desplazamiento de este gas, se considera la sección

inicial de la cual se desprende. Dicha sección puede estimarse de acuerdo con el tipo de alambre y en todos los casos permite fijar la velocidad del flujo gaseoso en

aproximadamente 800 cm / seg.Esto corresponde a una velocidad 100 veces más que la del flujo de CO2 en el caso de un alambre con protección gaseosa externa (considerando un consumo de CO2 de

25 litros/minuto para un cono de protección de 30 mm de diámetro ).Se deduce de este razonamiento, considerado como una aproximación, que el flujo de CO2 dado por la protección interna debe tener una velocidad inicial mucho más elevada que la de la atmósfera creada por la protección clásica.

Por lo tanto, será capaz de proteger eficazmente al metal durante su transferencia a través del arco y será menos perturbado por la acción de una corriente de aire externo, debido a

su mayor velocidad.


Aspectos metalúrgicos

Los elementos nocivos de los cuales hay que proteger de soldadura son: O2 y N2.

Es de hacer notar que para ciertas aplicaciones tales como el recargue, el oxígeno es

poco nocivo si su tenor esta limitado y el nitrógeno puede aportar, en este caso, ciertas

ventajas tales como:

- aumento de la resistencia al desgaste del depósito (formación de nitruros)

- cierto afino de grano (AlN controla el crecimiento de grano austenítico)

- aumento de la tensión de fluencia (N en solución sólida)

- aumento de la fase austenítica para los depósitos especiales (N es un elemento

gammagéno al igual que C, Mn y Ni)

Es sabido que en el caso de uniones se trata de obtener un metal depositado de alta

ductilidad, sobre todo a bajas temperaturas, resistente al envejecimiento y a la corrosión,

y para lo cual es indispensable reducir al mínimo los tenores de oxígeno y nitrógeno del

depósito.

Para lograrlo se dispone de varios elementos de adición, particularmente de:

- Si, Al, Ti y Mn para la desoxidación.

- Al y N para el afino de la estructura.


Ventajas de los alambres tubulares auto protegidos

No enumeraremos las múltiples ventajas que ofrecen con respecto a los electrodos

revestidos, dado que estamos estableciendo una comparación con los alambres macizos

y tubulares con protección gaseosa externa.

En particular, con respecto al alambre macizo las ventajas son:

− posibilidad de adaptar la composición del metal depositado al análisis requerido

económicamente y aún en pequeñas partidas.

− gran diversificación de productos, como consecuencia de lo anteriormente citado.

− facilidad de adaptación de la composición a un diámetro determinado de alambre, en

función de tener en consideración la variación de rendimiento de los elementos de

acuerdo con el aporte térmico.

− menores costos, principalmente cuando el alambre macizo es producido a partir de

coladas elaboradas especialmente.


En cuanto a las VENTAJAS con respecto a los alambres tubulares con protección

gaseosa externa, estas son:

- simplificación del equipo de soldadura.

- menor sensibilidad al viento y a las corrientes de aire.

- posibilidad de utilizar pistolas livianas y de pequeñas dimensiones, que también

permiten el acceso fácil a chaflanes angostos y profundos, como en los casos de

soldadura de grandes espesores.

- aumento de la rentabilidad en función de lo citado anteriormente y como

consecuencia de la supresión del gas externo.

- reducción de la penetración y la dilución con el metal base mediante empleo de

mayor extremo libre de alambre, que representa una gran ventaja para soldar con

espesores y separación de chapas variables y para la soldadura de recargue.

- aumento del tenor de nitrógeno en la soldadura de aceros inoxidables, o reducción

del tenor de ferrita delta, para aumentar el límite elástico y la resistencia a la tracción.


Es cierto que también deben considerarse algunas DESVENTAJAS, tales como:

- reducción de la penetración.

- sensibilidad a la tensión de arco, principalmente en los depósitos a base de silicio y

en menor medida para los que contienen aluminio y titanio.

- en ciertas condiciones, menor protección frente al O2 y N2 con posibilidad de

reducción de las propiedades mecánicas, en particular de la tenacidad.

- mayor producción de humos y frecuentemente transferencia con característica

globular, en forma de gotas gruesas.

- efecto nocivo sobre el metal de soldadura por parte de los elementos adicionados

para obtener una atmósfera protectora durante la transferencia.

Velocidad de deposición en función de la corriente de soldadura

Los alambres tubulares se caracterizan por su elevada velocidad de deposición, que

conjuntamente con los altos rendimientos obtenidos por posibilidad de operar en forma

semiautomática o automática, se traduce en una sustancial economía respecto del

proceso manual con electrodo revestido.


Diámetro de los alambres 1.6 mm

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

150 200 250 300 350 400 450

Corriente [A]

Ve

locid

ad

de

l ala

mb

re [m

/min

]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Velo

cid

ad d

e d

epo

sic

ión [

kg/h

]

E70T-1

ER70S-6

velocidad de deposición E6010 4,8mm

velocidad de deposición - E70T-1

velocidad de deposición - ER 70S-6

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Especificación AWS A5.20:2005 – U.S. customary

Especifica los requerimientos que deben cumplir los alambres tubulares que depositan aceros al

carbono.

EXXT - XXJXHZ

E-indica que es un electrodo

6 o 7- indica el mínimo valor de Rm en 10 x ksi del MAP

0- posición de soldadura plano u horizontal

1-toda posición

T-indica que se trata de un alambre tubular.

1,2,3,...,14, G, GS- los números describen las características

del alambre. La letra G indica que la protección, la polaridad y la

tenacidad no están especificadas. S indica que el alambre no es

apropiado para soldaduras multipasadas.

M, C – M indica que el alambre se clasificó utilizando como gas de protección una mezcla 75/80Ar-CO2. C indica que se utilizó100CO2.

Si no hay nada � autoprotegido o no se utilizó gas de protección en la clasificación

No mandatorios

HZ-indica que el contenido máximo de H difusible es Zml/100gr de metal depositado.

D, Q – clasificación con calor aportado bajo control

J-indica tenacidad mejorada (20ft-lbf @ -40°F).

mandato

rio

20

Especificación AWS A5.20:2005 – S.I.

Especifica los requerimientos que deben cumplir los alambres tubulares que depositan aceros al

carbono.

EXXXT - XXJXHZ


43 o 49- indica el mínimo valor de Rm en 10 x MPa del MAP


1-toda posición


1,2,3,...,14, G, GS- los números describen las características del alambre. La letra G indica que la protección, la polaridad y la

tenacidad no están especificadas. S indica que el alambre no es

apropiado para soldaduras multipasadas.

M, C – M indica que el alambre se clasificó utilizando como gas de protección una mezcla 75/80Ar-CO2. C indica que se utilizó100CO2.

Si no hay nada � autoprotegido o no se utilizó gas de protección en la clasificación

No mandatorios

HZ-indica que el contenido máximo de H difusible es Zml/100gr

de metal depositado.

D, Q – clasificación con calor aportado bajo control

J-indica tenacidad mejorada (27J @ -40°C).

mandato

rio

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SDCENNo1 (VD)14

MSegún orden de compraG

SSegún orden de compraGS

MDCEPSi0, 19

SDCENNo010

MDCENNo0, 1 (VD)11

MDCEPSi0, 112

SDCENNo1 (VD)13

MDCENNo0, 18

MDCENNo0, 17

MDCEPNo06

MDCEP(3)Si0, 15

MDCEPNo04

SDCEPNo03

SDCEPSi0, 12

MDCEPSi0, 11

Aplicación(4)PolaridadGas de

protección (2)

Posición (1)

EXXTXEXXTX

Características de uso de los alambres tubulares

(1) Posición

0 – F & H1 – F, H, VU, OH

(2) Gas de protección

Si � FCAW-GS

- C � CO2

- M � 75Ar-CO2 o 80Ar-CO2

No � autoprotegido

(3) Para los electrodos EX1T-5X la

polaridad puede ser DCEN para

soldadura en posición(4) Aplicación

S – una sola pasada

M – útil para soldadura multipasada

Los alambres tubulares especificados para una sola pasada

contienen mayor cantidad de

desoxidantes. Si se utilizan en multi-

pasadas se corre riesgo de aumentar

la resistencia mecánica del metal de soldadura y disminuir su ductilidad y

tenacidad

Ar� en el gas de protección � Si, Mn� en el depósito

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Especificación AWS A5.29:2005 – U.S. customary

Especifica los requerimientos que deben cumplir los alambres tubulares que depositan aceros de

baja aleación.

EX(X)XTX-XX-JHZ


6,7,..,12- indica el mínimo valor de Rm en 10 x ksi del MAP


1-toda posición


1, 4, 5, 6, 7, 8,11, G- los números describen características del alambre. G indica que la polaridad y las características generales no está especificadas.

Designa la composición química del depósito. G indica que la composición química no esta especificada

M, C – M indica que el alambre se clasificó utilizando como gas

de protección una mezcla 75/80Ar-CO2. C indica que se utilizó

100CO2.Si no hay nada � autoprotegido o no se utilizó gas de

protección en la clasificación

No mandatorios

HZ-indica que el contenido máximo de H difusible es Z ml/100gr de metal depositado.

J-indica tenacidad mejorada (20ft.lbf @ 20°F menos del requerido por la especificación).

mandato

rio

23

Especificación AWS A5.29:2005 – S.I.Especifica los requerimientos que deben cumplir los alambres tubulares que depositan aceros de baja aleación.

E XX XTX-XX-JHZ


43, 49, 55, 62, 69, 76, 83- indica el mínimo valor de Rm en 10xMPa del MAP


1-toda posición


1, 4, 5, 6, 7, 8,11, G- los números describen características del alambre. G indica que la polaridad y las características generales no está especificadas.

Designa la composición química del depósito. G indica que la

composición química no esta especificada

M, C – M indica que el alambre se clasificó utilizando como gas de protección una mezcla 75/80Ar-CO2. C indica que se utilizó

100CO2.

Si no hay nada � autoprotegido o no se utilizó gas de

protección en la clasificación

No mandatorios

HZ-indica que el contenido máximo de H difusible es Z ml/100gr de metal depositado.

J-indica tenacidad mejorada (27J@10°C menos del requerido por la especificación).

mandato

rio


<0,15C1,00-1,752,00-2,75--K7

0,15C, 1,8Al, 0,05V1,00-1,200,50-1,50<0,20<0,20K8

0,015(S, P), 0,07C0,50-1,501,30-3,75<0,20<0,50K9

0,15-0,25C0,60-1,600,75-2,000,20-0,600,15-0,55K5

<0,15C, 0,03V1,20-2,251,75-2,600,20-0,600,20-0,65K4

<0,15C, 0,05V0,50-1,751,25-2,60<0,150,25-0,65K3

<0,15C, 1,8Al*0,50-1,500,40-1,00<0,20<0,15K6

<0,12C; 1,8Al*<1,502,75-3,75--Ni3

-1,25-2,00--0,25-0,55D1

-1,65-2,25--0,25-0,55D2

-1,00-1,75--0,40-0,65D3

<0,15C, 0,05V0,80-1,400,80-1,10<0,150,20-0,65K1

<0,15C, 1,8Al*0,50-1,751,00-2,00<0,15<0,35K2

0,3-0,75Cu0,50-1,300,40-0,800,45-0,70-W2

<0,12C; 1,8Al*<1,501,75-2,75--Ni2

<0,12C; 1,8Al*<1,500,80-1,10<0,15<0,10Ni1

0,5Cu-<0,408,00-10,50,85-1,20B8

0,5Cu-<0,404,00-6,000,40-0,65B6

---2,00-2,500,90-1,20B3

---1,00-1,500,40-0,65B2

---0,40-0,650,40-0,65B1

<0,12C---0,40-0,65A1

%otro%Mn%Ni%Cr%MoEXXTX-X

Composición química de los depósitos

Para todos los casos donde no

se especifica:S <0,03%

P <0,03%

Si <0,80%

Mn <1,50%

C 0,05-0,12%

En el caso de los depósitos de

Cr-Mo el contenido de C puede

indicarse detrás de la denominación de la siguiente

forma

L-> C<0,05%

H-> 0,10%<C<0,15%

Por ejemplo:EXXTB1L, EXXTB2H,...

*Sólo en el caso de electrodos

autoprotegidos



Documentos de referencia

− Welding Handbook; Volume 2; Welding processes –Part 1; Chapter 5; 2004

− ASM Handbook; Welding, Brazing, and Soldering; Vol. 6, 1993

− Widgery, D.; Tubular wire welding; 1994

− AWS A5.20; Specification for carbon steel electrodes for flux cored arc

welding; 2005

−AWS A5.22; Specification for stainless steel flux cored and metal cored

welding electrodes and rods; 2012

− AWS A5.29; Specification for low alloy steel electrodes for flux cored arc

welding; 2010

− AWS A5.32; Specification for welding shielding gases; 2007

− AWS A5.36; Specification for Carbon and Low-Alloy Steel Flux Cored

Electrodes for Flux Cored Arc Welding and Metal Cored Electrodes for Metal

Arc Welding;2012

− http://www.lincolnelectric.com/assets/en_US/Products/literature/C32400.pdf

curso de inspector de soldadura 05_fcaw_20120306

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